Давным-давно, когда в планах Природы ещё не было ни жизни, ни разума, ни социальных сетей, в недрах звёзд работали грандиозные химические лаборатории. В них при чудовищных давлениях и температурах из протонов и нейтронов «склеивались» ядра химических элементов. Лёгкие атомы получались быстро, но с массивными приходилось возиться…

Чемпион по трудоёмкости — уран, самый тяжёлый металл на Земле. Даже «адской» внутризвёздной печи не хватило, чтобы синтезировать стабильное ядро из 92 протонов, и потребовался дополнительный мощный поток нейтронов, который бы «склеил» ядро. А попасть под него урановый полуфабрикат мог только при взрыве сверхновой! Это событие, достаточно редкое во Вселенной: звёзд-«тяжеловесов» не так много, как можно было бы ожидать.

Но разве уран — последний элемент? Взгляните в таблицу Менделеева, ведь там полно элементов после урана. В опредёленном смысле так и есть. Элементов с номером больше 92 (их называют трансурановыми) в природе не существует в стабильной форме. Их получают искусственно, и они могут существовать одну миллионную долю секунды, после чего они распадаются из-за своей нестабильности. Объяснение этому следующее — в ядре урана достигнут своеобразный порог насыщения, на котором ядерные силы ещё могут противостоять кулоновскому отталкиванию протонов. За этим рубежом электрические силы одерживают верх и быстро разрывают трансурановое ядро.

Результат налицо: лёгкие элементы типа водорода и гелия во Вселенной на каждом шагу, а вот металлы встречаются гораздо реже. Ещё одна невероятная удача: тяжёлый уран при формировании Земли не «утонул» в ядре планеты, как это произошло с железом, а по большей части остался на поверхности с содержанием всего 0,00025 %, занимая по распространённости 38-е место среди химических элементов (опережая, кстати, золото и серебро). По оценкам геологов, общие запасы урана в земной коре составляют 1014 тонн. Вроде бы много, но вся сложность в том, что он рассеян и не образует мощных месторождений. И всё же есть места, где урана больше. Например, на долю трёх стран: Казахстана, Канады и Австралии — приходится 70 % мирового производства урана.

67 % разведанных мировых запасов урана, пригодного для добывания методом подземного скважинного выщелачивания (ПСВ), находятся в Казахстане

Уран в чистом виде очень активен, и по­этому в природе вы его не встретите. Чаще всего он присутствует в виде окиси жёлтого цвета, её так и называют — жёлтый кек (от английского yellow cake — жёлтый торт). В древности его использовали как краситель. В авторитетном «Справочнике для химиков и физиков» приводятся сведения о находке под Неаполем осколков жёлтого стекла, содержащих около процента окиси урана и датируемых годом гибели Помпеи (79 год н. э.).

Кстати, эти артефакты совершенно безопасны с точки зрения радиоактивности. Стойкое убеждение о чрезвычайной угрозе, исходящей от урана в любом его виде, — давний миф, возникший в начале прошлого века на волне революционных открытий Вильгельма Рентгена, Антуана-Анри Беккереля, супругов Кюри, Эрнеста Резерфорда, Анри Муассана и Фредерика Содди. 

С тем, что уран радиоактивен и не имеет стабильных изотопов, никто спорить не собирается. Но период полураспада самого распространённого изотопа — урана-238 (146 нейтронов) составляет почти 4,5 миллиарда лет, что сравнимо со временем существования нашей планеты. Это значит, что его естественная радиоактивность крайне мала и опасности для жизни не представляет. Уран-235, второй по распространённости изотоп, подвергается полу­распаду за 700 с лишним миллионов лет и тоже не способен вызвать мгновенный радиационный ожог по типу «страшилки», показанной в нашумевшем американском сериале «Чернобыль». Природный уран испускает низкоэнергетические альфа-частицы, которые обладают низкой проникающей способностью, следовательно, радиационный риск крайне низок. Но на практике при работе с ураном всё же надевают средства защиты (перчатки, халат и маски), чтобы предотвратить его попадание внутрь тела или случайный перенос в другое место.

Свойства урана кардинально ­меняются, если воздействовать на него извне. Для начала опишем «механику» обычного полу­распада: нестабильное ядро (поведение ядра зависит от соотношения протонов и нейтронов) выбрасывает из себя либо альфа-частицу (два протона и два нейтрона) и «съезжает» по таблице Менделеева на две клетки назад, либо бета-частицу — электрон, сопровождающий превращение нейтрона в протон (тут мы «продвигаемся» на клетку вперёд). Уран — не исключение, и в обычных условиях процесс идёт крайне неспешно — миллионы и миллионы лет (вспомните период полураспада!).

Совсем другое дело, если в это ядро попадает лишний нейтрон. Как мы помним, уран балансирует на тонкой грани равновесия между внутренними ядерными силами и электрическим взаимодействием. И как невесомая снежинка вызывает сход лавины, так и лишний нейтрон нарушает хрупкое равновесие и вынуждает ядро развалиться на части, высвободив огромную энергию. И самое главное — при этом также освобождается от 1 до 8 свободных нейтронов, которые взаимодействуют с другими ядрами; те высвобождают энергию и новые нейтроны, и так далее. Этот процесс называют цепной ядерной реакцией. В результате выбрасывается огромное количество энергии при минимальных затратах (это очень важный пункт).

Этот факт немало озадачил физиков первой половины XX века и способствовал небывалому скачку в естествознании. Пожалуй, сейчас лишь остаётся мечтать о подобной концентрации интеллектуальных сил на узком научном ­плацдарме! Судите сами: в этом ряду — Энрико Ферми, Отто Ган, Лиза Мейтнер, Фриц Штрассман, Нильс Бор, Отто Фриш и другие. Немудрено, что за считаные годы загадка «неправильного» поведения урановых ядер была в основном ­разгадана, а понимание физики процесса позволило начать применять свойства самого тяжёлого металла на практике.

Лампочки, освещённые электричеством первого в мире ядерного реактора-размножителя EBR-I, 1951

Учёным не давала покоя колоссальная энергия урана, более того, это был принципиально иной способ получения энергии. Ещё в 1940 году создатели советской атомной программы, выдающиеся физики Яков Зельдович и Юлий Харитон в 23-м но­мере журнала «Успехи физических наук» писали: «Приведём… некоторые числа, характеризующие возможности энергетического использования урана. …Исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран стоимость калории из основного изотопа урана оказывается примерно в 4000 раз дешевле, чем из угля (если, конечно, процессы «сжигания» и теплосъёма не окажутся в случае урана значительно дороже, чем в случае угля). В случае медленных нейтронов стоимость «урановой» калории (если исходить из вышеприведённых цифр) будет, принимая во внимание, что распространённость изотопа урана-235 равна 0,007, уже лишь в 30 раз дешевле «угольной» калории при прочих равных условиях».

Напомним, что эти расчёты относятся ко времени, когда ещё не было даже проектов ядерных реакторов. Даже сегодня, когда мощность «мирного атома» достигла внушительной отметки 400 ГВт, эти расчёты кажутся вполне реалистичными. Вывод о том, что атомная энергия будет выгоднее, тоже себя оправдал: стоимость ­уранового киловатта энергии в два раза меньше, чем у «чистого» солнечного или ветрового электричества. И останется такой в обозримом будущем!

Надо отметить, что в истории атомной энергетики были и тёмные страницы ­— Чернобыль и Фукусима. Это крупнейшие техногенные катастрофы, связанные с атомной энергией. Согласно выводам многочисленных комиссий, у трагедий нет одной единственной причины, скорее, это сумма множества мелких ошибок и случайностей, как, например, сильнейшие в истории Японии землетрясения. Но насколько губительны последствия таких катастроф, особенно в сравнении с другими?

В 2018 году на Международной конференции по развитию добывающих отраслей эксперты посчитали, сколько жизней унесло производство каждого триллиона киловатт-часов электроэнергии. В статистику были собраны данные о летальных исходах во время добычи топлива и получения энергии из неё, включая все аварии. Также оценка учитывает количество смертей в результате загрязнения окружающей среды. Самыми «кровожадными» стали угольные электростанции — 100 тысяч человек! Они оказывают колоссальный негативный эффект на экологию и здоровье жителей планеты. Для производства такого количества энергии одной мощной угольной электростанции потребуется в среднем 30 лет. А сколько их на свете? Второе место заняли станции, сжигающие жидкое топливо (солярку, мазут, нефть и т.д.) с результатом

36 тысяч человек. Удивительно, но солнечные и ветряные станции тоже не остались в стороне — они уносят почти 600 человеческих жизней, в основном это результат токсичного производства солнечных панелей и аварий при установке ветровых установок. Статистика жертв атомных станций насчитывает всего 90 человек. Напомним, что речь идёт о количестве жертв на триллион киловатт-часов электроэнергии.

АЭС Касивадзаки-Карива — крупнейшая в мире по установленной мощности (8 212 МВт). Находится в японском городе Касивадзаки префектуры Ниигата, запущена в 1985 году.

В том же 2018 году Межправительственная группа экспертов по изменению климата (IPCC) при ООН обнародовала доклад о необходимых мерах по предотвращению глобального потепления. Одной из рекомендаций стало строительство новых АЭС как экологически чистых источников энергии. А это значит, что эра атомных технологий только начинается. Урану ещё есть работа